專利名稱：高介低損耗陶瓷微波復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波元器件的測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高介低損耗陶瓷微波復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試方法。
微波介電測(cè)試方法包括自由空間法、傳輸/反射法和諧振法三類，其中諧振法是精確測(cè)試高介低損耗陶瓷微波復(fù)介電常數(shù)的最佳方法，它一般是將樣品放于工作在單一主模下的諧振腔中，或者將樣品作為介質(zhì)諧振器，或者在毫米波波段形成開放型諧振器(又稱為法布里—珀羅特諧振器)，然后根據(jù)相應(yīng)的諧振模型，采用合適的分析方法得到樣品復(fù)介電常數(shù)的計(jì)算關(guān)系式，最后測(cè)量諧振系統(tǒng)的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)即可得到樣品的復(fù)介電常數(shù)。
介質(zhì)柱諧振法由于諧振模型簡(jiǎn)單，分析計(jì)算方便，測(cè)試效率高，而很早就受到人們的關(guān)注。但是，目前該方法的測(cè)試精度和測(cè)試范圍都難以滿足實(shí)際需要。
本發(fā)明的高介低損耗陶瓷微波復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試方法，其微波介電常數(shù)εr的測(cè)試步驟為(1.1)測(cè)量上下表面平整的圓柱形試樣的半徑a和高度L；(1.2)用網(wǎng)絡(luò)分析儀分析散射參數(shù)S21，根據(jù)介質(zhì)柱諧振器的通用模式圖，以及利用TE模的諧振頻率隨樣品上表面與上金屬板之間的空氣隙的長(zhǎng)度的變化而變化很小的原理，從網(wǎng)絡(luò)分析儀上識(shí)別TE011模的諧振峰；(1.3)調(diào)節(jié)耦合機(jī)構(gòu)，直至弱耦合，測(cè)量此時(shí)TE011模的諧振頻率fr；
(1.4)利用下述公式計(jì)算復(fù)介電常數(shù)，其中c為真空中的光速，w2=(lπaL)2-(2πafrc)2]]>uJ0(u)J1(u)+wK0(w)K1(w)=0]]>ϵr=(c2πafr)2(u2+w2)+1]]>其微波介電損耗tanδ0的測(cè)試步驟為(2.1)利用下述公式計(jì)算TE0ml模的諧振頻率frw2=(lπaL)2-(2πafrc)2]]>uJ0(u)J1(u)+wK0(w)K1(w)=0]]>ϵrw2+u2-(ϵr-1)(lπaL)2=0]]>其中，m＝1，2，3…，l＝1，2，3…，直至fr＞fmax，fmax為所使用的網(wǎng)絡(luò)分析儀的最大掃描頻率；(2.2)根據(jù)上述計(jì)算的諧振頻率值，選取兩只諧振頻率相近，但諧振峰不互相重疊，而且均不與HE模、EH?；騎M模的諧振峰相重疊的模TE0ml和TE0m′l′；(2.3)核實(shí)上述TE0ml和TE0m′l′T模，得到實(shí)際的諧振頻率值，記為fr1和fr2；(2.4)分別測(cè)量TE0ml和TE0m′l′模的空載品質(zhì)因數(shù)Qu和諧振頻率點(diǎn)的S21，利用下式計(jì)算介電損耗tanδ0，tanδ0=f0(B1fr1A2/Qu2-B2fr2A1/Qu1)B1fr2fr1-B2fr1fr2]]>其中f0＝(fr1+fr2)/2A=1+gϵr]]>B=l2(1+g)2πϵrϵ0μ02L3fr3]]>Qu=QL1-10S21[dB]/20]]>g=J12(u)K12(w)·K0(w)K2(w)-K12(w)J12u-J0(u)J2(u)]]>本發(fā)明通過分析諧振頻率相近的兩支TE模的諧振特性，并利用高介低損耗陶瓷和金屬表面電阻的微波特性，來測(cè)量介電損耗，不僅避免了通常采用的雙樣品法所帶來的低測(cè)試效率，而且也提高了表面電阻和介電損耗的測(cè)試精度。采用牛頓迭代法直接求解特征方程，避免了通常先對(duì)特征方程進(jìn)行曲線擬和然后求解所導(dǎo)致的測(cè)試精度下降和測(cè)試范圍減小。
實(shí)施該方法所開發(fā)的軟件能夠根據(jù)試樣尺寸及TE011模的諧振頻率計(jì)算試樣的復(fù)介電常數(shù)；能夠根據(jù)試樣尺寸及復(fù)介電常數(shù)計(jì)算所有TE模的諧振頻率；能夠根據(jù)兩支TE模的諧振特性計(jì)算介電損耗，由于在微波頻段下，對(duì)高介低損耗陶瓷而言，f0/tanδ近似等于常數(shù)，因此為了便于比較，以f0/tanδ來表述介電損耗。
本發(fā)明能夠?qū)Ζ舝＝20～150、tanδ＝1×10-4～5×10-3，半徑a小于15mm、厚度L大于4mm，且D/L>2u0m/(πlϵr-1)(J0(u0m)=0)]]>的上下表面平整的圓柱形微波陶瓷樣品在1～20GHz范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，εr的相對(duì)誤差小于0.1％，f0/tanδ的相對(duì)誤差小于2.5％。
發(fā)明人利用Advantest R3767CG網(wǎng)絡(luò)分析儀，采用現(xiàn)有的介質(zhì)柱諧振系統(tǒng)，根據(jù)本發(fā)明對(duì)以下試樣進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表1和表2所示，包括樣品的εr和f0/tanδ的測(cè)試結(jié)果及誤差，εr的測(cè)量誤差主要來源于TE011模的測(cè)試頻率和樣品尺寸的測(cè)量誤差，而tanδ主要來源于空載品質(zhì)因數(shù)的測(cè)量誤差，即有載品質(zhì)因數(shù)和散射參數(shù)S21的測(cè)量誤差。



權(quán)利要求
1.一種高介低損耗陶瓷微波復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試方法，其微波介電常數(shù)εr的測(cè)試步驟為(1.1)測(cè)量上下表面平整的圓柱形試樣的半徑a和高度L；(1.2)用網(wǎng)絡(luò)分析儀分析散射參數(shù)S21，根據(jù)介質(zhì)柱諧振器的通用模式圖，以及利用TE模的諧振頻率隨樣品上表面與上金屬板之間的空氣隙的長(zhǎng)度的變化而變化很小的原理，從網(wǎng)絡(luò)分析儀上識(shí)別TE011模的諧振峰；(1.3)調(diào)節(jié)耦合機(jī)構(gòu)，直至弱耦合，測(cè)量此時(shí)TE011模的諧振頻率fr；(1.4)利用下述公式計(jì)算復(fù)介電常數(shù)，其中c為真空中的光速，w2=(lπaL)2-(2πafrc)2]]>uJ0(u)J1(u)+wK0(w)K1(w)=0]]>ϵr=(c2πafr)2(u2+w2)+1]]>其微波介電損耗tanδ0的測(cè)試步驟為(2.1)利用下述公式計(jì)算TE0ml模的諧振頻率frw2=(lπaL)2-(2πafrc)2]]>uJ0(u)J1(u)+wK0(w)K1(w)=0]]>ϵrw2+u2-(ϵr-1)(lπaL)2=0]]>其中，m＝1，2，3…，1＝1，2，3…，直至fr＞fmax，fmax為所使用的網(wǎng)絡(luò)分析儀的最大掃描頻率；(2.2)根據(jù)上述計(jì)算的諧振頻率值，選取兩只諧振頻率相近，但諧振峰不互相重疊，而且均不與HE模、EH?；騎M模的諧振峰相重疊的模TE0ml和TEOm′l′；(2.3)核實(shí)上述TE0ml和TE0m′l′模，得到實(shí)際的諧振頻率值，記為fr1和fr2；(2.4)分別測(cè)量TE0ml和TE0m′l′模的空載品質(zhì)因數(shù)Qu和諧振頻率點(diǎn)的Sw1，利用下式計(jì)算介電損耗tanδ0，tanδ0=f0(B1fr1A2/Qu2-B2fr2A1/Qu1)B1fr2fr1-B2fr1fr2]]>其中f0＝(fr1+fr2)/2A=1+gϵr]]>B=l2(1+g)2πϵrϵ0μ02L3fr3]]>Qu=QL1-10S21[dB]/20]]>g=J12(u)K12(w)·K0(w)K2(w)-K12(w)J12u-J0(u)J2(u)]]>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試方法，其特征在于該方法還可以利用下式求其表面電阻Rs0Rs0=f0(fr2A1/Qu1-fr1A2/Qu2)B1fr2fr1-B2fr1fr2]]>
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高介低損耗陶瓷微波復(fù)介電常數(shù)的測(cè)試方法，該方法能夠嚴(yán)格求解介質(zhì)柱諧振器中有關(guān)TE
文檔編號(hào)G01R31/12GK1453574SQ03128070
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者周東祥, 龔樹萍, 陳曉平, 梁飛, 潘杰夫 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)